西京医院:3D打印、计算机建模和人工智能在结构性心脏病中的应用展望-金属3D打印工厂

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      结构性心脏病(structural heart disease,SHD)是近年来心血管领域发展最快、成果最多的方向之一。传统影像检查多用于疾病诊断,在SHD治疗方面的作用略显不足。SHD的治疗,特别是介入治疗,需要影像学数据在手术规划、手术模拟以及术中预测方面提供更多的辅助和支持。

      相较于SHD外科手术,介入治疗没有外科开放术野和直接触觉反馈。因此,基于围术期中对影像学的需要,手术操作方式、视野概念和围术期规划技术得以迅猛发展,不断拓展了临床器械设备的开发,提高了医生培训的教学工作质量,与患者之间的沟通更加顺畅。3D打印在临床管理和围术期规划中的应用明显缩短了初学者学习曲线,3D打印结合计算机建模,加速了设备测试中对流体力学的研发和理解,3D打印、计算机建模和人工智能的有效整合正在逐步改变医生培训模式和以患者为中心的医疗服务模式。

亮点

1)结构性心脏病治疗需要医师深入理解心脏的病理生理学;

2)3D打印技术可以明显缩短新技术新业务的学习曲线;

3)计算建模有助于模拟心脏病理生理状态下的物理生理特性;

4)AI技术有助于构建患者特异性解剖结构,进而促进手术模拟培训。

西京医院:3D打印、计算机建模和人工智能在结构性心脏病中的应用展望

 3D打印技术概述

3D打印技术即增材制造技术,或称快速成型技术,该技术通过将以数字定义的几何图形上沉积多层材料,从而将影像数据转化为3D实物模型。心血管领域目前常用3D打印技术主要包括光固化快速成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积成型(FDM)、喷墨式3D打印(Inkjet)、光聚合物喷射(Polyjet)等,它们的原理、优缺点及应用范围见表1[1]。

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表1 3D打印技术种类

心血管疾病3D打印建模具体流程如下:

1)从计算机断层扫描(CT)、心脏磁共振(CMR)或三维经食管超声心动图(3D-TEE)等多模态影像中获取原始数据,存储为DICOM图像;

2)将DICOM图像导出,用于分割、绘制和生成stl文件

3)stl文件导入到计算机辅助设计软件中,用于进一步的打磨、镂空、修剪、颜色编码和切割;

4)调整后,将STL文件导出用于3D打印(图1)。

获得合适的影像学数据是进行3D模型打印的第一个环节,图像质量的好坏直接关系到3D打印模型的质量。目前心血管3D打印的影像学数据主要来源于计算机断层扫描血管造影(CTA)、心脏磁共振(CMR)以及三维经食管超声心动图(3D-TEE)。CTA是目前临床上最常用的3D打印数据资源,具有采集速度快、空间分辨力出色、组织特征鉴别力强等特点[2]。与CTA相比,CMR虽然空间分辨率低、采集时间长,但避免了电离辐射,3D自由呼吸CMR广泛应用于儿童和年轻患者心血管3D打印[3,4]。3D-TEE具有方便易操作、可在床边进行、时间分辨率高等优势,但信噪比较低,图像后处理和三维建模较为麻烦,通常不适合于全心脏模型的3D打印[5-7]。

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图1 心血管3D打印流程

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 3D打印技术在结构性心脏病中的应用

l 3D打印在经导管主动脉瓣置换术(TAVR)中的应用

患者1:1心脏3D打印模型在TAVR术前规划、选择合适的TAVR瓣膜、评估瓣周漏风险、预判传导阻滞发生、预判急性及迟发性冠脉阻塞有重要作用[8]。西京医院2016年至今,已完成3D打印辅助下TAVR手术700余例,将3D打印技术普遍应用于术前影像评估和手术规划,大大提高了手术安全性和成功率(图2)。3D打印的主动脉模型能有效模拟患者的血流动力学条件,对于体外模拟植入TAVR也有重要作用。

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图2 西京医院3D打印心血管模型体外TAVR手术模拟

l 3D打印在经皮二尖瓣修复术中的应用

经皮二尖瓣修复术的迅猛发展不断催生二尖瓣领域3D打印技术的应用创新。在国内外学者的不懈努力下,很多公司已经可以用3D打印技术打印出正常或病变二尖瓣的瓣环和瓣叶结构[9,10]。

然而,二尖瓣复合体(包括瓣环、瓣叶、腱索和乳头肌)完整结构和功能的3D打印模型相较于简单的瓣环瓣叶打印模型更为重要,更有助于器械研发测试以及患者个体化手术规划。Vukicevic等[11]利用多种材料打印了二尖瓣复合体3D模型,用于MitraClip手术模拟和手术方案的制定(图3)。西京医院心外科团队利用3D打印二尖瓣模型进行手术模拟,可以让临床医生在短期内快速熟悉器械操作和手术流程,缩短学习曲线(图4)。

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图3 二尖瓣复合体3D打印模型及MitraClip植入模拟

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图4 西京医院3D打印二尖瓣模型体外进行经导管二尖瓣修复手术模拟

l 3D打印及虚拟模拟在经导管二尖瓣置换术中的应用

TMVR瓣膜置入后易引起左室流出道(LVOT)梗阻,可导致心律失常、充血性心力衰竭甚至死亡,特别是二尖瓣瓣膜钙化严重的老年患者,其发生率更高[12]。经食道超声及术前CTA对于LVOT梗阻的预测能力十分有限,而3D打印技术则表现出明显优势。通过加工处理获得患者特异性的3D打印模型,打印出重要解剖结构,包括二尖瓣复合体、左室流出道及心房面,通过计算机CAD模拟植入支架瓣膜假体,能动态地分析TMVR术后支架瓣膜对LVOT的影响,进一步通过调整植入假体的内径和长短,观测对LVOT的动态影响(图5)[13]。也有助于反馈给介入瓣膜的研发团队,从而不断改进和完善介入瓣膜。由于二尖瓣病变造成患者左房、左室、室间隔厚度的变化,每个患者的左室流出道及继环平面角度都不同,针对目前市面存在的介入二尖瓣,研究团队通过建立患者特异性的左心3D模型,通过将介入瓣模型植入,能更加真实地反映出患者特性的LVOT梗阻风险。

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图5 二尖瓣3D打印模型模拟瓣膜植入以及LVOT梗阻风险评估

l 3D打印在左心耳封堵术中的应用

左心耳(LAA)封堵早期临床试验和可行性研究中,3D打印技术的作用并不突出;然而在LAA封堵器械在各大医院推广应用后,大家很快发现,未开展3D打印技术的医院,初学者在确定器械尺寸和植入操作技巧方面存在明显学习曲线[14]。3D打印左心耳模型使得术者对左心耳的大小、成角、受力区域及其周边组织的结构情况理解更透彻。此外,3D打印技术应用于LAA封堵术围术期规划能够帮忙医生确定各种型号器械在不同左心耳解剖结构中的锚定部位,选择最佳的器械、尺寸以及导管(图6)。

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图6 左心耳3D打印模型

l 3D打印在经导管三尖瓣修复/置换术中的应用

经导管三尖瓣介入治疗是SHD介入领域的热点方向之一[15]。由于三尖瓣复合体结构复杂,瓣环、瓣叶、腱索、乳头肌等结构因人而异,传统影像学方法在评估右心解剖和三尖瓣复合体方面略显不足,而3D打印能很好地解决这一难题。Muraru等[16]证实3D TEE可作为正常/异常的三尖瓣瓣叶、瓣环结构的3D打印数据来源,用于手术策略的规划。Harb等[17]利用多模态影像数据(CT、3D TEE和CT结合、MRI和CT结合数据等)构建了一系列3D打印右心模型,对三尖瓣解剖形态进行了详细评估,重点关注三尖瓣与周围组织结构的相互作用,优化手术规划(图7)。Cabasa等[18]使用3D打印的右心模型,体外模拟Sapien XT瓣膜植入三尖瓣。

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图7 三尖瓣和右心的3D重建结构模型

l 对患者的教育指导

在围术期期间,3D打印的实用价值不仅仅局限于术前规划。通过3D打印模型可增强医生与患者之间对治疗方式选择的讨论质量、提升患者参与度和满意度。传统的术前知情同意需要患者对医生所描述的2D图像进行理解,而在患者教育中早期使用3D模型则大大提高了患者对手术的理解和反馈。

l 目前3D打印的局限性

理想情况下,心血管3D打印模型应能够同时展现活体器官的解剖特征和生物特性。对于体外测试和/或手术模拟,3D打印模型最好能模拟心脏在整个心动周期中的动态变化;然而,目前材料尚无法满足模拟心脏的非线性和各向异性表现。为了能够使3D打印更好地模拟器官的形态和生物特性,必须对3D打印材料做进一步深入研究。

(责任编辑:admin)

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